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2015-07-20
2015-07-03
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在線測試儀(ICT)作為一種檢測設備廣泛應用于線路板組裝過程中，這種測試方法的關鍵技術就在于元器件隔離，即當對某個元件進行測試時不能受其它相連元件的影響。本文介紹一種反向驅動電流檢測技術，可提高元件隔離的可靠性，同時防止在隔離過程中對元件造成損傷或誤判。
在線測試儀采用針床夾具接觸印制線路板上的每個節點，然后將每個元件單獨隔離起來進行測試，就好像它是PCB上唯一的元件一樣。如果每一個元件都測試通過，就可以認為這塊板沒有裝配缺陷并具有正常的應用功能，這一測試策略之所以可行是因為在線測試儀使用的技術可以使被測元件周圍的元件不會對其產生電性影響。
數字隔離技術
圖1是一個數字電路的例子，其中U8為被測元件，測試儀在U8的輸入引腳施加一系列數字測試向量，然后在輸出引腳處進行測量以確認功能正常。
為保證測試儀能夠驅動U8輸入腳達到所需邏輯狀態，數字引腳驅動器應設計為低阻抗電流源，典型狀態下能輸出或吸收600mA或更大電流，該電流源可以立刻使節點達到測試所需的邏輯電平。這種短時間過度激勵元件輸出使一個節點變為反向邏輯狀態的技術通常稱為反向驅動。
在圖1當中，若N1或N2為邏輯低電平，那么U3的輸出將使N8也為低電平。如果在測試U8時測試儀要求引腳4為高電平，則連在節點N8上的驅動器就應在短時內輸出足夠的電流對U3輸出提供反向驅動，這樣U8的引腳4就獲得了邏輯高電平。
◆禁止 為了避免總線沖突和減少反向驅動，在線測試儀使用一種稱為“禁止”的技術。在圖1中，U5的輸出可由一個使能信號來控制，給節點N9一個低電平將使U5輸出為高阻狀態，從而有效地將它斷開，這樣就不會和U8的引腳16輸出相沖突。
禁止技術在驅動元件輸入引腳時也能有效消除對反向驅動輸出的要求。再看圖1，U1輸出可由一個使能信號進行控制，給節點N6一個高電平將使U1輸出為高阻狀態，相當于將U1從電路中取走。禁止U1之后，測試儀在施加測試向量到U8引腳11時，節點N7上的驅動器就無需再施加任何反向驅動電流了。
但這一技術只能用于具有三態邏輯輸出的器件，不能斷開像圖中U2和U3這類兩態邏輯輸出器件，因為這類器件的輸出只有兩種狀態，要末高電平，要末低電平。
◆抑制 在圖1中，如果N1和N2為高電平，N8將因U3的輸出置為邏輯高電平。在測試U8時，任何施加于N8的測試向量如果為低電平，都會要求測試儀驅動器在短時間內提供大量電流使得節點N8變低。節點N1和N2中任一個邏輯狀態從高電平轉變為低電平后U3輸出也將會由高變為低，如果這是在輸出受到反向驅動時發生，那么用于對輸出進行反向驅動的電流就不需要了，它將在受反向驅動的節點處以瞬態電壓脈沖形式耗散掉。
如果瞬態電壓脈沖的幅度大到超過規定的電壓值，就會損傷節點上的器件，而更嚴重的是瞬態電壓會使被測器件表現為一個短暫的邏輯狀態轉換，從而使被測器件判為失效。
為防止這一情況發生，在線測試儀使用了一種稱為“抑制”的技術。圖1中在U8測試的時候會驅動節點N1為低電平，避免U3輸出改變狀態，這樣可使U3輸出保持為低電平，并在U8進行測試時狀態不發生改變。
通過對連接電路進行分析以及在多個層次上使用禁止和抑制技術，測試儀可以將被測元件隔離開來，大大減少板上電路的干擾，從而施加更加全面的測試信號。這些隔離技術提高了在線數字測試的精度、穩定性和重復性，在生產測試中能得到準確的結果。
反向驅動有害嗎？
在線測試應用反向驅動已有二十多年了，但也一直存在著爭論，這是因為反向驅動常常造成電流超過元件的額定值。一些業界的研究證明，反向驅動技術使用不當會對數字元件產生過大的壓力或者引起永久性損害。反向驅動造成的失效可分為兩類：
◆熱失效 受到反向驅動的元件上面流過的電流會提高元件輸出節點和焊線的溫度，溫度升高與多個變量有關，包括電流大小、持續時間、元件封裝和所用技術等。當元件內連在一個焊接線路上的多個輸出腳同時被反向驅動為一種邏輯狀態時，該線路的溫度就會上升到很高，這種情況下一個IC的最大安全反向驅動時間是受驅動輸出的數量和電流總量的函數。
如果反向驅動產生的電流使焊線溫度升至它的熔點以上，就會使焊線失效。此外，重復的電流脈沖即使不使引線溫度升至熔點之上也仍然會使其產生疲勞，導致潛在缺陷和早期失效。
◆晶體管閉鎖 在一些數字元件(主要是CMOS元件)引腳上施加大于元件“安全值”的電壓將會使晶體管處于大電流甚至是破壞狀態，當一個被反向驅動的輸出突然改變邏輯狀態時，會產生觸發閉鎖狀態的過壓或欠壓。
防止反向驅動問題
為防止反向驅動造成可能的損傷，在線測試儀使用了下面一些方式：
◆電流回饋 一些在線測試儀具有固定電流回饋電路，限制驅動器在整個測試時間內施加反向驅動電流的總量，這一內置的硬件保護可確保受到反向驅動的IC焊線沒有足夠的時間達到受損溫度。
◆測試時間限制 一些在線測試儀裝有可以控制最大測試時間的可編程定時器，這種方法可作為一種附加的保護限制反向驅動的時間。由于對測試時間進行了限制，所以反向驅動產生的熱應力可保持在元件運行的安全范圍內。
◆自動冷卻延遲 元件引腳應力過大不只是因為某次測試時間太長，也可能因為一系列測試都在同一節點進行。例如有一個元件輸出腳要驅動10個不同元件的輸入腳，該輸出腳在這10個元件進行測試時都將受到反向驅動，如果這10個元件依次連著進行測試，則該輸出腳上的反向驅動應力將超過其額定值。
為防止這種情況導致輸出引腳應力過大，一些測試儀在每次數字測試之間插入一段自動冷卻延遲時間，它保證了引腳驅動器的占空比不超過10%，即驅動時間不超過整個測試時間的10%。
◆反驅動預分析 一些在線測試儀使用了反向驅動預分析軟件，該軟件對元件型號、電路連接和元件使用技術等進行綜合考慮，預測出元件在每次測試時將承受的反向驅動電流應力，并對反向驅動應力超過預定閾值的測試提前進行報告。
出錯原因
正確運用這些技術能消除反向驅動可能會對元件造成的應力，然而在有些情況下，上述技術常常無法有效地工作。
◆禁止不完全或有遺漏 由于電子市場變化迅速以及定制數字元件使用的增長，使得測試設備供應商和測試技術開發人員很難使他們的元件庫能根據最新型號元件進行更新。由于這一原因，許多測試技術開發人員都被迫使用不完整及未經認證的元件型號，或者只好選擇不需要元件型號的那種不徹底的非矢量測試技術。
在元件型號不完全或沒有的情況下，在線測試儀軟件缺少所需資料對周圍元件實施正確的禁止和抑制。即使能提供完整的元件型號資料，有時候電路的布線配置還是會使禁止和抑制無法正確實施。這樣就有可能在沒有適當隔離的情況下進行測試，導致一些元件的引腳產生過量反向驅動并可能在某些元件引腳上出現瞬態電壓。
◆PCB有故障 在線測試儀使用的反向驅動保護特性在測試沒有故障的PCB時能正常工作，但是第一次進行測試的PCB很可能是有故障的，下面看一下PCB故障狀態如何影響反向驅動保護特性。
在圖1的數字電路中，對U8進行測試時有許多故障情形都會產生異常反向驅動，例如： 1．節點N6開路或U1內部有缺陷都會使U1輸出始終處于使能狀態； 2．U3可能被一個邏輯功能相同但電氣特性不同的元件替換； 3．U2輸出晶體管的內部故障使得輸出電流大于正常值； 4．測試探針與PCB上其它節點發生短路引起測試儀驅動器的反向驅動電流大于正常值。
傳統的在線測試儀一般檢測不到這4種故障狀態，因為連在故障節點上的驅動器會補償反向驅動電流以克服故障，獲得所需的編程電壓，從而掩蓋了故障缺陷，而測試操作員根本就不知道還需要比正常值大的反向驅動電流來克服這些故障狀態。
◆反向驅動預測不準確 用以預測反向驅動電流的軟件首先假設所有禁止和抑制都工作正常并且PCB上沒有故障，當這些假設不成立時它就不能精確地預測出反向驅動電流；另外僅僅因為元件與元件之間輸出電流特性方面存在差異也會導致反向驅動預測軟件分析不準確。
反向驅動檢測
新一代在線測試技術可以測量和報告實際反向驅動電流值和施加時間，這種技術使測試程序開發人員能更清楚地看到每次測試的反向驅動電流大小，并使他們可以設置反向驅動電流閾值以便在生產測試中檢測出其它故障。
◆反向驅動電流檢測 新型引腳驅動器電路技術包括了能指示反向驅動電流幅值的電流檢測電路，它可以實時監測驅動器所需電流的大小以使被驅動PCB節點達到所設置的電壓。
◆可編程反向驅動電流/時間限制 新型引腳驅動器技術還配了一個定時器，監測驅動器輸出超過規定反向驅動電流值的時間長度，這樣當節點電流值和時間超出設置人員認為正常的閾值時在線測試儀能夠立即動作，切斷反向驅動電流。
反向驅動電流閾值可設定為50mA到600mA，反向驅動時間可設為750ns到23ms，反向驅動時間監測電路的分辨率使測試儀可以檢測到短至一個測試向量的反向驅動狀態。
下面的例句顯示連在節點N8上的驅動器如何編程使得在反向驅動電流施加時間大于750ns時防止它大于150mA： ASSIGN LGC LVLA(N8) VIHA=3.0 VILA=0.2 BDIA=150M BDIT=750N 如果測試過程中超過反向驅動極限，測試儀將停止測試并報告超出設置閾值的驅動器和PCB節點。
新方法的優點
這種新型引腳驅動器技術的優點包括：
◆反向驅動報告準確，測試更加可靠 因為這種新方法測量的是真實工作條件下的反向驅動電流和時間，比之用元件型號資料來預測反向驅動電流的軟件技術更為精確，操作者可以相信使用這一新方法所報告的反向驅動信息是可靠的。
使用軟件很容易分析測試中每個引腳驅動器使用的反向驅動電流量，并以報告形式給出信息(如圖2)。該報告能很快告訴編程人員哪一個引腳驅動器使用了過量的反向驅動電流，編程人員然后就可利用這一信息來增加或修正被遺漏或有缺陷的隔離信息。
在將測試程序用于生產之前消除不必要的反向驅動可以減少PCB元件的應力，提高測試程序可靠性。
◆測試程序開發更加簡化 由于開發人員不需要在他們的元件庫中保持反向驅動狀態信息或者運行額外的軟件來預測元件反向驅動電流理論值，所以測試程序開發工作簡化多了。
◆可以設置反向驅動閾值 不像以前在線引腳技術中連線反向驅動電流要受引腳驅動器設計的限制，新型引腳驅動器技術的反向驅動電流和時間閾值可以按引腳、測試分別進行設置，這樣可以使測試編程人員對敏感元件節點設置獨立的反向驅動閾值，而不必顧及非敏感元件節點。
◆增加故障檢測 由于新型引腳驅動器技術既可以測量反向驅動特性又可對它進行編程，因此可以在一塊已知的好板上測量反向驅動電流，然后根據測量值來設置反向驅動電流閾值。
這樣測試儀就可以檢測到上文提及一般檢測不到的故障狀態，包括： 1．有故障元件控制信號。 2．零件錯誤，雖然邏輯功能相同但輸出電流能力不同。 3．晶體管輸出故障，輸出電流大于正常值。 4．測試探針與其它節點短路。
這些故障之所以可檢測到是因為故障板上的反向驅動電流特性與好板上的反向驅動電流特性不同，軟件檢測到故障板所需的反向驅動電流要比無故障板大得多。
◆測試生產率更高 只有在對同一節點進行連續測試并且該節點在第一次測試時確實處于反向驅動的情況下，才需要用到冷卻延遲將反向驅動占空比限制為10%或更少。
過去的引腳處理技術無法判定節點在第一次測試時是否處于實際反向驅動狀態，所以執行下一次測試之前軟件會無條件等待；新的引腳處理技術很好地利用了已有的反向驅動信息，軟件能夠判定公共節點在第一次測試時是否處于反向驅動狀態。如果公共節點沒有受到反向驅動，軟件就立即進行下一個測試而不用等待冷卻時間，從而提高了數字測試的整體生產率。
本文小結
新一代在線數字引腳電子技術能準確測量反向驅動電流、檢測其它PCB故障、提高測試可靠性、減少元件反向驅動應力、簡化測試程序生成并提高線路測試的生產率。
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